水力式升船機(jī)控制閥門水力特性試驗(yàn)研究

王蛟 胡亞安 嚴(yán)秀俊 劉精凱

摘要：控制閥門是水力式升船機(jī)所特有的核心設(shè)備，深入全面地掌握其內(nèi)部及附近的水力特性，關(guān)乎水力式升船機(jī)的運(yùn)行效率及安全。針對世界上第一座水力式升船機(jī)的控制閥門——活塞式調(diào)流閥，通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了不同開度、背壓、壓差條件下的水力特性試驗(yàn)研究，重點(diǎn)關(guān)注閥門的流量特性、空化特性以及閥后管壁壓力特性。研究結(jié)果表明：活塞閥控流精確，可將空化限制在閥口及以外，對閥門自身保護(hù)較好;但在小開度時(shí)過流能力偏低、流態(tài)不穩(wěn)定、閥后管壁壓力受流場影響明顯，不利于管道安全。

關(guān) 鍵 詞：

活塞式調(diào)流閥; 水力特性; 物理模型試驗(yàn); 流量系數(shù); 空化數(shù); 流場結(jié)構(gòu); 水力式升船機(jī)

中圖法分類號： TV672.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.028

0 引 言

水力式升船機(jī)通過流量控制閥門來調(diào)控承船廂的運(yùn)行速度[1]，對閥門控制的要求非常高：空中運(yùn)行階段要求閥門供流大，以便提高運(yùn)行效率;對接階段要求閥門控流精確，盡量減小對接誤差。景洪水力式升船機(jī)在設(shè)計(jì)初期將精確控流作為第一要素，對蝶閥、球閥及活塞閥進(jìn)行了比選[2]，最終確定采用德國VAG公司生產(chǎn)的活塞式調(diào)流閥（后文簡稱活塞閥）作為流量控制閥門。

活塞閥主要由閥體、活塞、閥座、閥軸等部件組成，內(nèi)、外殼之間形成環(huán)形通道供流體通過。其控流調(diào)壓原理是：通過控制活塞桿沿水流方向運(yùn)動(dòng)，改變內(nèi)外殼間環(huán)形通道的過流面積，從而實(shí)現(xiàn)對流量和壓力的調(diào)節(jié)?；谄浣Y(jié)構(gòu)特性，活塞閥具有以下特點(diǎn)：① 流體以環(huán)狀內(nèi)噴方式出流，空化始于閥口、游移于閥外;② 初始空化數(shù)較小，但流阻系數(shù)較大;③ 活塞桿行程短，所需驅(qū)動(dòng)力小;④ 便于電力驅(qū)動(dòng)和外接控制系統(tǒng)。

基于以上特點(diǎn)，活塞閥常被用于大型輸水系統(tǒng)的控流調(diào)壓控制[3]。1997年，為了改善水庫的控壓精度，成都市六水廠選用活塞閥更新了關(guān)鍵控流調(diào)壓部件[4]。2000年，基于同樣的目的，北京自來水集團(tuán)選用了活塞閥[5]。2008年，為了精確控流，重慶市涪陵區(qū)龍?zhí)端こ探?jīng)比選，最后選擇活塞閥作為主要的調(diào)流元件[6]。2010年，為了保證小流量低壓力工況下的控制精確度，遼寧省大伙房水庫輸水工程同樣選擇活塞閥作為輸水管路的調(diào)壓控流元件[7]。

目前，對于活塞閥的相關(guān)研究主要集中于優(yōu)化閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式，以達(dá)到改善其流動(dòng)特性的目標(biāo)。楊富超等[8]綜述了活塞閥在水電站放空系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，并總結(jié)對比了典型工業(yè)控流調(diào)壓閥門的性能參數(shù)與運(yùn)維特性。楊開林[9]通過理論分析得到了活塞閥流量系數(shù)、閥門開度與管路特性的解析式，可供閥門優(yōu)化設(shè)計(jì)借鑒。鄧君[10]利用大型商業(yè)流體計(jì)算軟件分析了典型通徑活塞閥在不同開度下的穩(wěn)態(tài)流場特性，優(yōu)化了活塞套筒的出口結(jié)構(gòu)型式。范建強(qiáng)[11]從工程設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對活塞閥的公稱壓力等級 PN 值、出口結(jié)構(gòu)、閥門通徑、閥門型式等重要參數(shù)進(jìn)行了詳盡分析，給出了關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)，可供類似工程閥門選型參考借鑒。此后，又從工程的特殊性要求入手，結(jié)合活塞閥的理論計(jì)算及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對活塞式調(diào)流閥在工程初、中期的充水、流量、壓力調(diào)度的適用性進(jìn)行了分析[12]。李燕輝等[13]通過三維數(shù)值模擬方法對DN2400活塞閥穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的流場特性進(jìn)行了研究，分析了流量系數(shù)與流動(dòng)狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系和瞬態(tài)啟閉閥門時(shí)的側(cè)向力。

可見，活塞閥通過調(diào)節(jié)套筒來實(shí)現(xiàn)流量的精確控制，可將空化控制在閥口及以外區(qū)域，確保閥門安全。相關(guān)研究也側(cè)重于套筒等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，但對閥后管道、輸水系統(tǒng)具體影響的研究較少。世界上第一座水力式升船機(jī)（景洪升船機(jī)）在輸水系統(tǒng)中也采用了活塞閥作為控制閥門。王浩[14]對景洪升船機(jī)控制閥門的水力特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)活塞閥出流不穩(wěn)定，會形成“漩渦流”。景洪工程原型觀測成果表明，活塞閥流量控制精確，可以滿足景洪升船機(jī)的運(yùn)行要求，但也存在一些不足，不利于水力式升船機(jī)的推廣應(yīng)用[15]。小開度下活塞閥流阻較大，泄流能力偏低，限制了升船機(jī)的運(yùn)行速度;大開度下空化明顯，空化噪聲尖銳，振動(dòng)強(qiáng)烈，不利于閥后管道安全。但由于原型試驗(yàn)條件有限，未能進(jìn)行全面、系統(tǒng)的活塞閥水力特性研究。為全面掌握活塞閥的水力特性，本文采用與景洪升船機(jī)相同型式的活塞閥（僅閥門通徑不同），展開了全面、系統(tǒng)的閥門水力特性試驗(yàn)研究。

1 物理模型設(shè)計(jì)

本次研究中試驗(yàn)閥門與景洪水力式升船機(jī)控制閥門為同一閥型，均為德國VAG公司生產(chǎn)的活塞閥，套筒型式為SZ20-30%，試驗(yàn)閥門通徑為150 mm，閥門結(jié)構(gòu)及閥口照片如圖1所示。為了提供接近原型的閥門水力特性試驗(yàn)條件，項(xiàng)目組研發(fā)了集供水系統(tǒng)、閥門控制系統(tǒng)、關(guān)鍵水力參數(shù)監(jiān)控與調(diào)節(jié)系統(tǒng)一體自動(dòng)化的閥門空化試驗(yàn)平臺，顯著提高了試驗(yàn)智能化和效率?；谠囼?yàn)?zāi)繕?biāo)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕煽厮{(diào)壓系統(tǒng)、試驗(yàn)段和觀測系統(tǒng)組成，如圖2所示，傳感器布設(shè)如圖3所示，試驗(yàn)照片如圖4所示，主要試驗(yàn)設(shè)備及傳感器特性如表1所列。

試驗(yàn)過程主要為：針對閥門各開度，進(jìn)行閥門段恒定流水力特性試驗(yàn)研究。在具體開度下，通過試驗(yàn)段前后的流量調(diào)節(jié)閥配合電子壓力表精確控制試驗(yàn)閥門工作條件的背壓及壓差，背壓主要有60，120，180 kPa，壓差主要有60，120，180，240，300 kPa，部分工況根據(jù)空化強(qiáng)度適當(dāng)調(diào)整壓差組合。在具體背壓及壓差組合下，待試驗(yàn)閥門流場及壓力穩(wěn)定后進(jìn)行約1 min時(shí)長的閥門段管壁壓力特性及空化特性數(shù)據(jù)采集，同時(shí)通過攝影機(jī)記錄閥后透明管道內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)及空化現(xiàn)象。部分工況在間隔一定時(shí)間（約3 d）后進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)，以便盡量排除試驗(yàn)可能存在的隨機(jī)性。

2 試驗(yàn)成果分析

本次研究針對活塞閥進(jìn)行了不同開度、背壓（下游穩(wěn)定壓力）、壓差的試驗(yàn)研究，重點(diǎn)關(guān)注閥門的流量特性、空化特性及閥后管壁壓力特性，并結(jié)合閥門運(yùn)行方式及閥后流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，具體如下。

2.1 閥門流量特性

在高壩通航領(lǐng)域中，閥門流量系數(shù)可按式（1）計(jì)算：

μ=QA2P1-P2ρ（1）

式中：μ為流量系數(shù);A為閥門最大過流面積;Q為閥門實(shí)際過流流量;ρ為流體密度;P1、P2分別為閥門前后穩(wěn)定壓力。

2.1.1 流量系數(shù)隨開度的變化

圖5是活塞閥開度套筒行程及流量系數(shù)關(guān)系曲線，各開度流量系數(shù)為背壓120 kPa、閥門未空化前的穩(wěn)定值，可以代表閥門的流量特性?；钊y流量系數(shù)隨開度增大而增加，呈“S”型，最大流量系數(shù)為0.445。開度為0.1～0.7時(shí)，流量系數(shù)增幅隨開度增加而增大;開度為0.8～1.0時(shí)，流量系數(shù)增幅隨開度增加而變緩，在開度為0.8時(shí)存在增幅由增轉(zhuǎn)減的“拐點(diǎn)”?；钊y通過活塞桿調(diào)節(jié)套筒位置來改變閥門過流能力，不同開度下活塞閥套筒行程與流量系數(shù)的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，開度為0.1～0.7時(shí)，套筒行程與活塞閥流量系數(shù)吻合較好。說明活塞閥流量系數(shù)在此開度區(qū)間主要受套筒行程影響，與套筒行程呈正比關(guān)系;開度為0.8～1.0時(shí)，各開度套筒行程基本保持不變，但此區(qū)間活塞閥流量系數(shù)增幅卻在不斷減緩。這主要是因?yàn)榇箝_度下，套筒逐步退出主流區(qū)，活塞閥出流受套筒的影響逐漸減小，因此相同行程下閥門流量系數(shù)的增幅不斷變緩。因此，流量系數(shù)-開度曲線在開度0.8處出現(xiàn)拐點(diǎn)，是受套筒行程與閥口流場結(jié)構(gòu)影響的疊加效果。

2.1.2 流量系數(shù)隨背壓、壓差的變化

由圖6可知，同一開度下，固定背壓，逐步增大上游壓力，在未發(fā)生空化前流量系數(shù)基本維持穩(wěn)定。在臨界空化壓差附近，流量系數(shù)會小幅突增，后隨壓差的進(jìn)一步增大而開始明顯下降。對于該現(xiàn)象的一種解釋是[16]：空化初生始于細(xì)微氣泡，這些細(xì)微氣泡很難被監(jiān)測到，但會在結(jié)構(gòu)物表面與過流水體間形成一層水氣膜，將流體與結(jié)構(gòu)物表面分離從而降低結(jié)構(gòu)物的表面糙率，小幅提高供水系統(tǒng)的過流能力。隨著背壓的增大，閥門流量系數(shù)整體略有下降，但降幅很?。?%），并逐步趨于穩(wěn)定。

2.2 閥門空化特性

2.2.1 流場結(jié)構(gòu)及空化現(xiàn)象

活塞閥典型開度（開度0.3）下流場結(jié)構(gòu)及空化現(xiàn)象如圖7所示?？梢娫擃愰y門空化以霧狀為主，但開度為0.3時(shí)還形成了扭繩型細(xì)長空泡。這是因?yàn)樵陂_度0.3附近，套筒逐步脫離閥口，閥門在通過套筒側(cè)孔出流的同時(shí)開始從套筒與主廊道形成的間隙出流。閥門對稱性的內(nèi)聚對沖流道設(shè)計(jì)，使得霧狀空化在該開度附近得以匯聚成束，細(xì)長空泡隨水流呈現(xiàn)螺旋形態(tài)，充分體現(xiàn)了活塞閥后不穩(wěn)定的“漩渦流”流場結(jié)構(gòu)，水流往復(fù)擺動(dòng)，對管壁的沖擊較強(qiáng)。

2.2.2 臨界空化數(shù)隨開度、背壓的變化

對于空化數(shù)的定義有多種，本文采用式（2）的定義，其物理意義是閥后水頭與總水頭的比值。以σi表征臨界空化狀態(tài)，σ>σi，表征無空化狀態(tài);σ≤σi，表征空化狀態(tài)。σi越小表示閥門空化初生時(shí)閥后水頭越小，即閥門適宜工作的水頭越大，說明閥門的抗空化性能越好。

σ=P2/ρg+Patm-Psv/ρgP1-P2/ρg+v2/2g（2）

式中：σ為空化數(shù);Patm、Psv分別為當(dāng)?shù)卮髿鈮杭八娘柡驼羝麎?v為參考斷面平均流速。

圖8（a）為活塞閥各開度的臨界空化數(shù)。臨界空化數(shù)越低，表示抗空化性能越強(qiáng)?；钊y臨界空化數(shù)隨開度增加逐步增大，開度0.1時(shí)空化數(shù)為0.6，開度1.0時(shí)達(dá)到2.6，整體變化規(guī)律與流量系數(shù)變化類似，在開度0.8時(shí)同樣出現(xiàn)拐點(diǎn)。圖8（b）為閥門典型開度臨界空化數(shù)隨背壓的變化情況。隨著背壓的增大，各開度臨界空化數(shù)略有波動(dòng)，但整體穩(wěn)定，變幅小于2%。考慮到以上波動(dòng)可能是試驗(yàn)誤差所致，說明該試驗(yàn)條件下閥門的空化性能基本穩(wěn)定，空化初生與背壓關(guān)系不大，不存在明顯的比尺效應(yīng)。

2.2.3 空化噪聲特性

由于空化初生于閥體內(nèi)部且游移潰滅迅速，很難直接觀察，因此一般采用間接參數(shù)來表征空化狀態(tài)，例如空化噪聲?？栈肼曁匦灾饕肼暵晧海⊿P）和噪聲聲壓級（SPL），其轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

SPL=20lg（SPSPref）（3）

式中：SPref為基準(zhǔn)聲壓，取2×10-5Pa。

圖9是活塞閥在開度為0.3、不同空化程度下的噪聲聲壓級曲線圖。由圖9可知，隨著相對空化數(shù)的減小，閥門空化不斷增強(qiáng)，空化噪聲聲壓級不斷增大。當(dāng)相對空化數(shù)為0.42時(shí)，其噪聲聲壓級超過120 dB，噪聲尖銳刺耳。發(fā)生空化后（相對空化數(shù)≤1.00），活塞閥空化噪聲在較寬頻域內(nèi)均不斷增大，噪聲聲壓級隨頻率的增加而衰減，說明活塞閥發(fā)生的是高頻蒸汽型空化，空化泡能量較高，對管壁沖擊較強(qiáng)。

2.3 閥后管壁壓力特性

管壁壓力特性一般包含時(shí)均壓力（Pav）和脈動(dòng)壓力（Prms）。時(shí)均壓力表征閥后管壁的相對靜壓大小，從防空化角度而言，閥后管壁時(shí)均壓力越高越有利于抑制空化;脈動(dòng)壓力表征壓力的脈動(dòng)強(qiáng)弱，其值越小越有利于管道安全。圖10為活塞閥在開度0.3、背壓60 kPa、不同相對空化數(shù)下的閥后管壁沿程壓力特性。由圖10可知，時(shí)均壓力沿程變化趨勢與閥后流態(tài)密切相關(guān)。活塞閥在開度0.3時(shí)，套筒開始退離閥口，在套筒與閥殼之間逐步形成出流區(qū)?；钊y內(nèi)聚環(huán)狀出流，導(dǎo)致閥后水流出現(xiàn)旋滾，霧狀空泡在旋渦流的作用下匯聚成束，形成扭繩型空泡?；钊y閥后管壁時(shí)均壓力沿程分布規(guī)律與閥后流場結(jié)構(gòu)吻合較好，受旋渦流沖擊的壓力點(diǎn)時(shí)均值較高，背離漩渦流的壓力點(diǎn)時(shí)均值較低，同樣呈現(xiàn)扭繩形態(tài)。不論空化發(fā)生與否，活塞閥閥后管壁時(shí)均壓力的整體分布規(guī)律基本不變，僅隨相對空化數(shù)的減小而整體增大。說明活塞閥閥后形成的漩渦流對管壁的沖擊較強(qiáng)，空化對流場結(jié)構(gòu)的影響較小?；钊y閥后管壁壓力均方根值在閥口處最大，而后沿程逐漸降低?？栈l(fā)生后，閥口附近壓力均方根值隨空化程度的增強(qiáng)而明顯增加，距離閥口越遠(yuǎn)，壓力均方根值的增幅越小?？梢?，空化會顯著增加閥口附近水流的紊動(dòng)性，影響程度沿水流方向逐漸減小。

3 結(jié) 論

本文基于景洪水力式升船機(jī)的工程實(shí)際問題，為系統(tǒng)地掌握活塞閥的水力特性，通過物理模型試驗(yàn)，對DN150活塞閥進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的水力特性試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下。

（1） 活塞閥由活塞桿來實(shí)現(xiàn)閥門啟閉的運(yùn)動(dòng)原理決定了其“流量系數(shù)-開度”呈“S”型。壓差變化時(shí)，在閥門發(fā)生空化前，流量系數(shù)基本保持不變;空化初生時(shí)，流量系數(shù)會先小幅突增，后隨空化程度的增強(qiáng)而迅速下降。該型閥門過流能力整體偏小，閥門全開時(shí)流量系數(shù)約為0.445。

（2） 通過閥后的透明玻璃管段，可以清晰地觀察到水流流態(tài)及空化現(xiàn)象?；钊y后流場結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，空化類型為高頻蒸汽型空化。部分開度（0.3附近）處會形成“漩渦流”，將霧狀空化匯聚成扭繩型空泡，對管壁的侵蝕破壞更強(qiáng)。隨著開度的增加，活塞閥臨界空化數(shù)不斷增大，全開時(shí)約為2.60。

（3） 閥后流場結(jié)構(gòu)對管壁壓力分布起主導(dǎo)作用：活塞閥為環(huán)聚噴射出流，于閥口約0.5倍閥門通徑處匯聚成束，該區(qū)域流速較高、壓力較低，后壓力逐步回升至穩(wěn)定值;閥口處紊動(dòng)最強(qiáng)，壓力脈動(dòng)最大，后迅速降低，于2倍閥門通徑處達(dá)到穩(wěn)定值，其后基本保持不變。

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（編輯：胡旭東）

Experimental study on hydraulic characteristics of control valve of hydraulic driven ship lift

WANG Jiao1，HU Yaan2，YAN Xiujun2，LIU Jingkai2

（1Chongqing Southwest Research Institute for Water Transport Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400016，China; 2.Key Laboratory of Navigation Structures，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Abstract：

Control valve is a special core equipment of hydraulic driven ship lift（HDSL）.Thorough understanding of its internal and nearby hydraulic properties has significant meanings to the operation efficiency and safety of hydraulic driven ship lift（HDSL）.Aiming at the control valve of the world′s first HDSL-piston type regulating valve，through the physical model test，the hydraulic characteristics under different conditions of opening，back pressure and pressure difference were tested，and the flow characteristics of the valve，cavitation characteristics and pressure characteristics of pipe wall behind the valve were analyzed.The research results showed that the flow control of the piston type regulating valve was accurate，the cavitation could be restricted to the valve mouth and outside，and the protection of valve itself was better.However，the flow capacity of the valve at a small opening was low，the flow field structure was unstable，and the pressure of pipe wall was obviously affected by the flow field，which was not conducive to the pipeline safety.

Key words：

plunger valve;hydraulic characteristics;physical modeling experiment;flow coefficient;cavitation number;flow field structure;hydraulic driven ship lift